Коровы используют микробиом своего желудка для переваривания пищи и эффективного производства молока. Понимание деятельности этих микроорганизмов могло бы помочь произвести революцию в молочном животноводстве.
Все начинается с коровы. Эти меланхоличные, жующие траву гиганты являются основой всей пищевой системы, основанной на молоке. Когда молочная корова беременеет в возрасте около года, она начинает биологический путь, который подпитывает одну из самых разнообразных категорий рационов питания людей. После девятимесячного периода беременности она рожает теленка и начинает давать молоко. Этот период лактации обычно длится около года и занимает центральное место в молочном животноводстве.
Но коровы не единственные важные действующие лица в этой истории, потому что микробы не менее важны. У молочных коров есть специальный орган, называемый рубцом, в котором обитает множество микробов, которые помогают коровам усваивать силос, сою и люцерну. “Что происходит, так это то, что бактерии расщепляют целлюлозу, гемицеллюлозы и ферментируют их в летучие жирные кислоты”, - объясняет Гаррет Суэн, микробиолог из Университета Висконсин-Мэдисон (США). Эти летучие жирные кислоты влияют на выработку и состав молока.
Чтобы удовлетворить растущие потребности потребителей, фермеры в основном использовали стратегии разведения для получения более крупных коров, которые дают больше молока, или меняют рацион коров; однако качество молока так же важно, как и его количество. “Нам нужен молочный жир, молочный сахар и белок [в молоке]”, - говорит Суэн. Однако он отмечает, что “микробиом рубца в значительной степени игнорируется, хотя люди знают, что именно он определяет большую часть производства молока”.
Хотя многие предполагали, что микробиом рубца действительно является движущей силой производства молока, Суэн говорит, что доказательств этому мало. Микробиом рубца сложно изучать из-за его анаэробной среды. Однако такие технологии, как секвенирование нового поколения, помогли исследователям начать характеризовать и понимать микробное разнообразие рубца. В 2017 году Суэн и его коллеги обнаружили, что у высокопродуктивных и низкоэффективных молочных коров существуют различные микробиомы, хотя сам по себе этот список микробов мало о чем мог рассказать исследователям.
Для дальнейшего изучения этой связи Суэн и его группа провели классический эксперимент по трансплантации, взяв микробиом рубца высокопродуктивной коровы и пересадив его низкопродуктивной корове и наоборот. Они сделали это, используя три пары катетеризированных коров, у которых в боку был хирургически вставленный порт, позволяющий исследователям получить доступ к рубцу и его содержимому. “Что мы делали, так это засовывали руку в рубец, брали содержимое и высыпали его в гигантское ведро. Мы проделали это со всеми шестью этими животными, а затем поместили содержимое [донорского] рубца обратно в соответствующую пару”.
Исследователи оценивали микробные сообщества у коров перед заменой содержимого рубца и в течение восьми недель, используя секвенирование 16S рРНК и ампликонов для мониторинга изменений. Они наблюдали, что низкоэффективные коровы временно становились высокопродуктивными примерно через неделю после получения содержимого рубца от высокоэффективных доноров, но в конечном итоге они возвращались к своему первоначальному низкоэффективному состоянию. Напротив, высокопродуктивные коровы, получившие рубец от низкопродуктивных собратьев, потеряли свою продуктивность и уже никогда ее не восстановили. “Это говорит о том, что модификация микробиома рубца у взрослых особей будет довольно сложной задачей”, - говорит Суэн. “Потому что, если у этих животных есть способность корректировать свой микробиом даже после масштабных изменений на таком уровне, это действительно затруднит существенные изменения”.
Чтобы преодолеть эту проблему, Суэн и коллеги сосредоточили свое внимание на телятах, стремясь повлиять на выработку молока в раннем возрасте, самостоятельно формируя микробиом. Поскольку молочных телят при рождении часто разлучают с матерями и их выращивают люди, они, скорее всего, приобретут кишечные микробы из окружающей среды. Исследователи собирали содержимое рубца у взрослых коров и вводила его телятам с рождения до шестинедельного возраста. Позже, когда они стали взрослыми, этим коровам ввели катетеры и секвенировали их микробиомы. Тем не менее, несмотря на то, что между микробиомами коров с высокой и низкой продуктивностью наблюдались явные различия, эти изменения не привели к каким-либо ощутимым улучшениям в производстве молока.
В то время как Суэн продолжает изучать факторы, влияющие на перемещение микроорганизмов по фермам, он и его коллеги внедрили менее трудоемкие методы отбора проб из рубца. Один из последних подходов предполагает использование мазков из полости рта, которые позволяют выявить до 70% микробиома рубца. По сравнению с традиционными методами отбора проб исследователи обнаружили, что мазки из полости рта успешно отражают микробные ассоциации, наблюдавшиеся ранее. По мере того как Суэн и другие ученые все глубже изучают влияние микробов на продуктивность молочных ферм — коров и других жвачных животных, таких как козы и овцы, — они также изучают, как фермеры могут более рационально удовлетворять растущий спрос на молоко.
